Gas-phase synthesis of metal and metal-sulfur nanostructures. Study of homogeneous nucleation and analysis of applications for energy conversion and electrochemistry.

Project leaders

Stefano Distasio, Andrei Onischuk

Agreement

RUSSIA - RAS old - Russian Academy of Sciences old

Call

CNR/RAS 2011-2013

Department

Energy and Transportation

Thematic area

Engineering, ICT and technologies for energy and transportation

Status of the project

Extended

Report for renewal

joint-report-2008-2010-sds.doc

Research proposal

L’attivita’ di ricerca e’ la continuazione di quella svolta nell'ambito del progetto di cooperazione CNR-RAS triennio 2008-2010. Durante l’ultimo anno i due gruppi di ricerca hanno registrato una enorme quantita’ di dati sperimentali, dopo la messa a punto delle tecniche di sperimentazione realizzate e collaudate nei due anni precedenti. Il Bismuto nanostrutturato e' stato studiato in dettaglio relativamente al processo di nucleazione omogenea. Una tecnica particolare, detta di Cut-Off di Saturazione, e' stata usata per la misura del raggio critico e della tensione superficiale dei nuclei che per primi si formano per condensazione dei vapori saturi di Bismuto. La conoscenza delle caratteristiche di nucleazione e' fondamentale per le applicazioni nei settori biomolecolari e farmacologico. Per esempio il Bismuto, materiale a bassissima cito-tossicita' rispetto alle cellule umane, si lega alle proteine dei tessuti esposti a ulcera e forma uno strato protettivo che puo’ essere proposto come terapia. Sono ben note inoltre le proprieta’ antimicrobiche di vari composti del Bismuto. 
 In precedenza e' stato messo a punto un generatore di nanoparticelle di Bismuto che alle temperature di sintesi piu' basse (~700 K), e' in grado di produrre nanoparticelle di dimensioni 5-10 nanometri a concentrazioni dell’ordine di 10^6 cm^-3. Per studiare la bioattivita' di tali aerosol e' importante studiare la chimica dei composti ottenuti tramite interazione fra Bismuto e Zolfo. Infatti, molte molecole biologiche contengono zolfo. Un esempio di tali interazioni e' lo studio delle caratteristiche di tiofilicita'.
Per questi motivi si propone per il periodo 2011/2013, oltre alla prosecuzione dello studio sul Bismuto, di avviare una sperimentazione con focus sulle proprieta’ di nucleazione di nanoparticelle di Zolfo. Si potranno allo scopo sfruttare metodologie e competenze  sviluppate nel corso del precedente trienno di attivita' di ricerca congiunta CNR-RAS.  Da un punto di vista chimico lo zolfo rappresenta un materiale interessante e di ampie prospettive sia scientifiche sia applicative. Esiste in piu’ di 30 forme allotropiche, per esempio otto atomi di zolfo si legano in maniera covalente in anelli a forma di corona (orthorombic sulfur S8). Inoltre si lega facilmente a numerosi altri elementi per formare composti sia inorganici sia organici. Il biossido di zolfo (SO2) ha ampie applicazioni nei settori medico e alimentare.
E' importante sottolineare come, oltre alle applicazioni in campo biomolecolare, i due elementi Bismuto e Zolfo in forma nanostrutturata trovano ampia possibilita' di usi innovativi nel settore della conversione energetica e dello storage di energia.
A tali scopi e' importante ricordare che il Bismuto e’ caratterizzato da un cammino libero medio molto lungo (circa 0.4 mm a 4K e 100 nm a 300 K), piccola massa efficace dei portatori di carica (~0.001 massa elettrone), grande estensione della funzione d’onda elettronica, bassa densita’ elettronica di stati e superficie di Fermi altamente anisotropa. E’ un semimetallo nel senso che presenta una struttura a bande con un overlap molto ridotto (38 meV a 0K) e diventa semiconduttore se la struttura 1 D e’ al di sotto di certe dimensioni. Le nanostrutture di Bismuto hanno un valore alto del coefficiente Seebeck e probabilmente possono avere una figura di merito adimensionale maggiore di 4 che e’ il limite per i materiali bulk. Questo fatto suggerisce che in futuro il bismuto nanostrutturato possa essere uno dei migliori materiali per il cooling ad effetto Peltier. Inoltre i cosi’ chiamati micro-sensori ad effetto Hall (dimensioni ridotte fino a 100 nm^2) sono attualmente richiesti per la valutazione delle proprieta’ magnetiche locali di micro- e nano-strutture¸ come, per esempio, per la misura di campi magnetici molto inomogenei come quelli prodotti da nanoparticelle ferromagnetiche, dai vortici nei superconduttori, dai domini magnetici nei materiali ferromagnetici.
Analogamente, lo zolfo puo’ essere impiegato in forma nanostrutturato in combinazione a nanoparticelle di metallo nel settore delle batterie elettriche per dispositivi portatili con una capacita’ doppia rispetto alle batterie a ioni di litio convenzionali.  I nitriti di zolfo (S4N4) sono precursori dei polimeri inorganici (SN)x che si comportano come metalli a temperatura ambiente. La loro conducibilita’ elettrica e’ simile a quella del ferro. Questo studio e’ fondamental per il nascente settore dei polimeri organici conduttori (Premio Nobel 2000 a MacDiarmid, Heeger e Shirikawa).
Il know how acquisito nel corso della collaborazione ormai decennale fra i due gruppi CNR-IM e ICKC-RAS potra’ consentire, nel corso della prosecuzione dell'attivita' 2011-2013, sia di poter formalizzazione i risultati ottenuti per la sintesi di Bismuto nanostrutturato iattraverso la pubblicazione di paper ISI (delle quali due sono state gia’ sottoposte a riviste internazionali) sia di ottenere ulteriori sviluppi delle attivita' di ricerca attraverso lo studio delle strutture Bismuto-Zolfo , eventualmente convolgendo altri team di ricercatori specialisti nel settore biologico e energetico.
L’attivita’ di ricerca comprendera’ la messa a punto di un dispositivo per la sintesi di zolfo nanostrutturato e lo studio delle proprieta’ di nucleazione. Saranno inoltre considerati possibili composti a nanoscala di tipo metallo-zolfo (organosulfur compounds) per i quali risultano estremamente interessanti i legami chimici che si formano, la cui comprensione e’ cruciale per controllare i processi di sintesi di batterie non convenzionali a polimeri nel settore elettrochimico.

Research goals

Gli obiettivi della proposta di continuazione fra i due team CNR-IM e ICKC-RAS per il periodo 2011-2013 sono i seguenti:
Progetto e realizzazione di un dispositivo generatore in fase gassosa di nanoparticelle ultrafini (

Last update: 06/09/2025